Un outil de diagnostic in situ pour l'étude des électrolyseurs à oxyde solide, fondé sur la spectroscopie d'impédance électrochimique, a été mis en place à travers une analyse systématique de l'influence de plusieurs paramètres (densité de courant, température, composition et débit des gaz) sur les performances et le comportement d'une monocellule commerciale dans une configuration à 2 électrodes. Les principaux phénomènes régissant le fonctionnement de la cellule ont été identifiés. Une analyse de son comportement après apparition et évolution dans le temps d'une dégradation prématurée, suite à une modification sur le banc d'essai, a été réalisée. Un mécanisme expliquant l'origine et les conséquences de cette dégradation prématurée a été proposé. Une étude sur l'influence de l'épaisseur d'une des deux électrodes de la cellule a par ailleurs permis de distinguer deux des phénomènes principaux liés à la diffusion de H2O à l'électrode Ni-YSZ. Enfin, l'étude du comportement de la cellule après dégradation par conduction électronique de l'électrolyte YSZ a mis en évidence la formation de porosités entrainant notamment des délaminations à l'interface YSZ/YDC. Un état de dégradation plus avancé que pour les tests précédents a été observé pour les couches YDC et Ni-YSZ. Ce phénomène se manifeste par un déplacement en fréquence de l'ensemble du diagramme d'impédance mesuré vers les plus basses fréquences, formant une boucle négative. Rp finit par disparaitre, le courant circulant alors majoritairement via la conduction électronique de l'électrolyte YSZ. / An in situ diagnosis tool, based on electrochemical impedance spectroscopy, for the study of solid oxide electrolyzer cells was established through the analysis of the influence of several parameters (current density, temperature, gas composition and gas flow rate) on the performances and the behavior of a commercial single cell studied in a two-electrode configuration. The main phenomena governing the cell were identified. An analysis of its behavior after appearance and evolution with time of a premature degradation was carried out. A mechanism explaining the origin and the consequences of such degradation was suggested. Furthermore, studying the influence of the cathode thickness allowed distinguishing two of the main phenomena associated to H2O diffusion at the Ni-YSZ electrode. In addition, a study of the cell behavior after degradation by electronic conduction of the YSZ electrolyte showed formation of numerous porosities leading to delaminations at the YSZ/YDC interface. This phenomenon was characterized by a shift of the overall impedance diagram to the lowest frequencies, with appearance of a negative loop which finally leads to the disappearance of Rp as the current circulates mostly via electronic conduction of the YSZ electrolyte.

La production pariétale de bulles de gaz et son impact sur la dynamique de la phase liquide en canal vertical est étudiée numériquement et expérimentalement. Dans un premier temps, un modèle de mélange 2D stationnaire est utilisé pour décrire l’évolution moyenne des panaches de gaz. Grâce à cette approche, un modèle de couche limite a pu être développé et a permis l’identification des nombres adimensionnels pertinents (analogues aux nombres de Rayleigh et de Prandtl pour la thermique) afin de caractériser les écoulements à bulles dispersées. Dans un second temps, un modèle Eulérien-Lagrangien 3D instationnaire, prenant en compte le couplage quadrilatéral (interactions bullesliquide et bullesbulles) est résolu par Simulation Numérique Directe (DNS) et permet ainsi une description plus fine de l’écoulement à l’échelle de la phase dispersée. Enfin, ces approches numériques sont complétées par des mesures de Spectroscopie d’Impédance Electrochimique (SIE) lors de la production de dihydrogène et de dioxygène par électrolyse alcaline. Les modèles d’écoulement proposés ici montrent globalement un très bon accord avec les résultats expérimentaux tirés de la littérature. Les approches homogènes et DNS présentent toutefois quelques disparités sur l’évaluation du taux de vide dans certaines conditions. Parallèlement, les mesures et simulations de SIE ont montré être clairement affectées par les évolutions du panache de bulles, les spectres d’impédance ont notamment mis en évidence une contribution basse fréquence fortement dépendante de la nature de la phase dispersée (taille de bulle et lois de dispersion). Les trois approches (modèle homogène, DNS et SIE) menées conjointement sont donc fortement complémentaires. Elles permettent non seulement une meilleure compréhension de la physique de l’écoulement diphasique, mais offrent aussi une capacité d’analyse de la pertinence des modèles existants tout en ouvrant la voie à leurs futures améliorations / The wall production of gas bubbles and its impact on the liquid dynamics in a vertical channel is studied by means of numerical simulations and experimentation. First, a 2D stationary mixture model is used to describe the averaged plumes evolutions. Through this approach, a boundary layer model has been developed and identified dimensionless numbers (Raleigh-like and Prandtl-like) characteristic of bubbly flows. Secondly, a 3D non-stationary four-way coupled (with bubblesliquid and bubblesbubbles interactions) Eulerian-Lagrangian model is solved by Direct Numerical Simulation (DNS) and allows a finer description of the two-phase flows at bubble-scale. Finally, the numerical methods are completed by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) measurements during hydrogen and oxygen production by alkaline electrolysis.The two-phase flow models are in good agreement with experimental results from literature. There are still some disparities between the homogeneous model and the DNS about the void fraction calculation under certain conditions, though. In the meantime, both EIS measurements and simulations were clearly affected by bubbles plume evolutions, the impedance spectra highlighted a low frequency contribution highly sensible to the nature of the dispersed phase (bubble size a dispersion laws). The 3 approaches (homogeneous model, DNS and EIS) used collectively are strongly complementary. They allow not only a better comprehension of the physics of the two-phase flow, but also serve the analysis of existing models while leading the way for further improvements

Cette étude porte sur la co-électrolyse de H2O et CO2 à 800°C dans une cellule à oxydessolides. Un modèle détaillé a été développé afin de rendre compte des phénomènesélectrochimiques, chimiques, thermiques et de transferts de matière, et introduisant unereprésentation macroscopique du mécanisme de co-électrolyse. Il permet d’estimer lesperformances et les compositions en sortie de cellule. Un protocole expérimental, visant àvalider les principales hypothèses de ce modèle, a été appliqué à deux types de cellulecommerciale à cathode support. À partir de courbes de polarisations, obtenues en électrolyseet en co-électrolyse, ainsi que d’analyses gaz, les densités de courant d’échange, illustrant lescinétiques électrochimiques, ont pu être estimées, et le mécanisme proposé a pu être validé.L’analyse des simulations a permis l’identification des processus limitant la co-électrolyse, laproposition de voies d’optimisation et l’établissement des cartographies de fonctionnement. / This work investigates the high temperature co-electrolysis of H2O and CO2 in Solid OxideCells. A detailed model was developed, encompassing electrochemical, chemical, thermal andmass transfer phenomena, and introducing a macroscopic representation of the co-electrolysismechanism. This model allows predicting the performances and outlet compositions in singlecell and stack environments. An experimental validation protocol was implemented on twotypes of commercial Cathode Supported Cells, ranging from polarization curves, obtained insingle and co-electrolysis modes, to micro gas analyses. These tests aimed both at determiningthe different exchange current densities, representative of the kinetics of electrochemicalreactions, and validating the simulated cell global behavior and mechanism proposed.Comprehensive analysis of the simulations led to the identification of limiting processes andpaths for optimization, as well as to the establishment of co-electrolysis operating maps.

Le dihydrogène se présente comme un vecteur énergétique d'avenir pour la diversification des sources de production d'énergie. L'électrolyse de l'eau dans le système PEMWE (Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer) permet l'obtention de dihydrogène de grande pureté. Les atouts de cette technologie induite par l'utilisation d'assemblage membrane électrode (AME) permettent son couplage aux énergies renouvelables. Toutefois, l'amélioration de l'activité catalytique des matériaux anodiques et leur stabilité pour baisser la tension de cellule et la diminution de la teneur en métaux nobles dans la composition des matériaux sont nécessaires.Lors de ces travaux de thèse, une voie de synthèse a été élaborée pour préparer des nanomatériaux à base de ruthénium. L'ajout d'iridium a permis dans un premier temps de prévenir l'oxyde de ruthénium de la dissolution tout en maintenant l'activité du catalyseur initial. Les meilleures performances catalytiques des AMEs en termes de densité de courant, de tension de cellule et de durabilité ont été délivrées avec les matériaux anodiques dont la composition molaire en Ru est supérieure à 70 %. La substitution partielle des métaux précieux (Ru et Ir) par du cérium et du niobium dans le but de proposer des catalyseurs à moindre coût a été aussi réalisée. Contrairement au niobium qui apporte une phase amorphe dans la structure du matériau, le cérium jusqu'à une teneur de 10 % permet de conserver les performances de l'anode telles que obtenues dans le matériau bimétallique. Le cérium se présente donc comme un métal prometteur à intégrer de manière appropriée dans la composition des matériaux anodiques. / Hydrogen seems to be the most promising energetic vector in order to diversify the sources of energy production. Water splitting in a Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer (PEMWE) provides a sustainable way of producing clean hydrogen. One of the main advantages of this technology based on the utilization of Membrane Electrode Assembling (MEA) is its potential coupling with renewable energy sources. However, the improvement of the catalytic activity of anode materials, their stability and the reduction of the noble metal content in their composition are required.During this thesis work, a new synthesis approach that consists in hydrolysis of metallic precursors in ethanol medium has been undertaken to prepare non-supported ruthenium-based nanomaterials. The addition of iridium to the nanocatalysts composition prevents the ruthenium oxide from dissolution without decreasing the initial activity of the anode catalyst. The best catalytic performance of MEAs in terms of current density, cell voltage and durability were observed with anode materials whose ruthenium molar composition is higher than 70 %. The partial substitution of precious metals (Ru and Ir) either by cerium or niobium with the purpose of decreasing the catalysts cost was also attempted. While the substitution with niobium introduces an amorphous phase in the material structure, the trimetallic materials containing cerium were shown to be crystalline. Furthermore, cerium contents up to 10 % allows maintaining the catalytic activity of the trimetallic anode close to that obtained with the bimetallic oxide material. Thus cerium appears as a promising metal to include in a suitable way on the composition of anode materials.

Les travaux présentés dans ce mémoire concernent les composants d'assemblages membrane-électrodes (AMEs) pour électrolyseur à membrane échangeuse de protons (PEM – proton exchange membrane) fonctionnant à moyenne température. L'électrolyse de l'eau PEM, alimentée par l'énergie électrique provenant de sources renouvelables, est une voie pour la production efficace et durable d'hydrogène de haute pureté. De nouveaux électrolytes polymère solides (un des principaux éléments de la cellule d'électrolyse) à double conduction, basés sur un réseau semi-interpénétré créé par le polybenzimidazole sulfoné et l'acide polyphosphonique, ont été étudiés. Les membranes perfluorosulfonées (PFSA) à chaîne latérale courte et le composite PFSA-phosphate de zirconium (ZrP) ont également été étudiés. Les matériaux catalytiques de l'anode à base d'oxyde d'iridium ont été préparés par hydrolyse et calcination. L'oxyde d'iridium (IrO2), les oxydes bimétalliques (Ir/Ru) et ternaires (Ir/Ru/Ta) oxydes ont été étudiés par voie électrochimique dans la gamme de températures comprises entre 20 et 120 °C. Les caractérisations physico-chimiques ont confirmé la formation de structures d'oxyde et l'absence de particules de chlorures ou de métal résiduels. On observe une diminution de la tension de cellule, quelle que soit la densité de courant, lorsque la température augmente. Le catalyseur a été déposé sur la membrane, soit par pulvérisation directe ou par transfert en utilisant un support inerte (décalque). Aucune différence significative n'a été observée en appliquant les deux méthodes de dépôt. Les performances s'améliorent lorsque la température augmente pour tous les échantillons. L'assemblage comprenant une membrane de type PFSA, Aquivion®, de masse équivalente 870 meq.g-1 et d'une épaisseur de 120 µm, a montré de meilleures performances pour l'électrolyse de l'eau à 120 °C comparé à l'assemblage comprenant une membrane composite Aquivion® / ZrP, tandis qu'une membrane de type de polybenzimidazole sulfoné à liaison éther, poly-[(1-(4,4'-diphényléther)-5-oxybenzimidazole)-benzimidazole], a montré des performances prometteuses et aucune limitation de transport jusqu'à 2 A.cm-2. Les meilleurs performances ont été observées à 120 °C pour un assemblage préparé par pulvérisation directe de IrO2 sur une membrane Aquivion®; 1,67 V à 2 A.cm-2. / Preparation and investigation of the main components of membrane electrode assemblies (MEAs) for medium temperature proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) are described in this manuscript. Moderate temperature PEMWE, nourished by electrical energy from renewable sources is a practical path to sustainable generation of hydrogen with high purity and efficiency. Novel solid polymer electrolytes (a key component of the electrolysis cell) with double functionality properties, based on highly sulfonated polybenzimidazole creating a semi-interpenetrating network with a polyphosphonic acid, were investigated. A short side chain perfluorosulfonated acid (PFSA) type membrane and PFSA-zirconium phosphate composite membrane were also studied. The anode catalyst materials based on iridium oxide were prepared using the aqueous hydrolysis method followed by calcination. IrO2, some bimetallic (Ir/Ru) and ternary (Ir/Ru/Ta) oxides were electrochemically investigated in a wide range of temperatures (20-120 °C). The physico-chemical characterisation confirmed the formation of oxide structures, absence of residual chloride or metal particles. All catalysts prepared showed decreasing voltage at any given current density with rising the temperature. Catalyst was deposited on the membrane either directly by spray deposition or by decal transfer. No significant difference was observed using both deposition method. The PEMWE performance was increasing with the temperature. The short-side-chain PFSA - Aquivion® ionomer of equivalent weight 870 meq.g-1, of thickness 120 µm, displayed higher water electrolysis performance at 120 °C than a composite membrane of Aquivion® with zirconium phosphate, while a sulfonated ether-linked polybenzimidazole, sulfonated poly-[(1-(4,4'-diphenylether)-5-oxybenzimidazole)-benzimidazole], showed promising performance and no mass transport limitations up to 2 A.cm-2. The lowest cell voltage was observed at 120 °C for an MEA prepared using spray-coating of IrO2 directly on the Aquivion® membrane, 1.67 V at 2 A.cm-2.

Les travaux précédents trouvés dans la littérature ont mis l'importance sur la pile à combustible PEM ou électrolyseur PEM. Certains articles ont étudié également la pile à combustible réversible et le système d'alimentation en hydrogène par énergie solaire en intégrant à la fois la pile à combustible et électrolyseur. Contrairement à un « Unitised regenerative fuel cell (URFC)», notre conception a un compartiment individuel pour chaque système de PEM-Fuel Cell et d'electrolyseur-PEM et nommé Quasi - URFC. Grâce à ce nouveau concept, l'objectif principal est de réduire le coût de la pile à combustible régénératrice (RFC) en minimisant le rapport de surface superficielle géométrique du catalyseur de l'assemblage membrane électrodes (AME) des deux modes dans la cellule. D'ailleurs, nous visons également à construire un RFC plus compact, léger et portable par rapport à une pile à combustible ou l'électrolyseur classique. Ce travail de recherche est divisé en trois parties : la modélisation et simulation numérique, l'assemblage du prototype et le travail d'expérimentation. Quant à la partie de modélisation, un modèle physique multi-2D a été développé dans le but d'analyser les performances d'une pile à combustible à régénérée à trois-compartiments, qui se compose d'une piles à combustible et d'électrolyseur. Ce modèle numérique est basée sur la résolution des équations de conservation de masse, du momentum, des espèces et du courant électrique en utilisant une approche par éléments finis sur des grilles 2D . Les simulations permettent le calcul de la vitesse, de la concentration de gaz, la densité de courant et les distributions de potentiels en mode pile à combustible et en mode d'électrolyse, ainsi nous aider à prédire le comportement de quasi - RFC. En outre, l'assemblage du premier prototype du nouveau concept de pile à combustible à combustible régénérée a été achevée et testée au cours des trois années d'études dans le cadre d'une thèse. Les résultats expérimentaux de la 3 Compartiments R-PEMFC ont été prometteurs dans les deux modes, soit en mode piles à combustible et soit en mode d'électrolyseur. Ces résultats valideront ensuite les résultats de la simulation, obtenus auparavant par la modélisation. / The past works found in the literature have focused on either PEM fuel cell or electrolyzer-PEM. Some of the papers even studied the unitised reversible regenerative fuel cell (URFC) and the solar power hydrogen system by integrating both fuel cell and electrolyzer. Unlike the URFC, our design has an individual compartment for each PEMFC and E-PEM systems and named Quasi-URFC. With this new concept, the main objective is to reduce the cost of regenerative fuel cell (RFC) by minimizing the ratio of the catalyst’s geometric surface area of the membrane electrode assembly (MEA) of both cell modes. Apart from that, we also aim to build a compact, light and portable RFC.This research work is divided into three parts: the modeling, assembly of the prototype and the experimentation work. As for the modeling part, a 2D multi-physics model has been developed in order to analyze the performance of a three chamber-regenerative fuel cell, which consists of both fuel cell and electrolyzer systems. This numerical model is based on solving conservation equations of mass, momentum, species and electric current by using a finite-element approach on 2D grids. Simulations allow the calculation of velocity, gas concentration, current density and potential's distributions in fuel cell mode and electrolysis mode, thus help us to predict the behavior of Quasi-RFC. Besides that, the assembly of the first prototype of the new concept of regenerative fuel cell has been completed and tested during the three years of PhD studies. The experimental results of the Three-Chamber RFC are promising in both fuel cell and electrolyzer modes and validate the simulation results that previously obtained by modeling.

L’objectif principal de ce travail de thèse était de mettre en évidence et de mesurer l’effet co-catalytique de complexes moléculaires organo-métalliques à base de métaux de transition adsorbés sur des semi-conducteurs dopés photo-actifs vis-à-vis des réactions de photo-dissociation de l’eau et de photo-réduction du dioxyde de carbone, en en vue d’applications dans des cellules photochimiques et photo-électrochimiques. Nous avons tout d’abord identifié et sélectionné les matériaux (deux semi-conducteurs photo-actifs et deux co-catalyseurs moléculaires électroactifs) les plus adaptés (les résultats sont présentés dans le chapitre I). Nous avons ensuite conçu, développé et mis au point un bâti expérimental permettant la détection et le dosage en continu des produits de réaction lors des réactions d’intérêt (les résultats sont présentés dans le chapitre II). La détection des produits de réaction se fait à l’aide d’un chromatographe en phase gazeuse couplé au réacteur. Nous avons ensuite élaboré/synthétisé et mesuré les propriétés intrinsèques des matériaux sélectionnés (les résultats sont présentés dans le chapitre III). Finalement, nous avons mis en évidence l’activité co-catalytique des complexes utilisés et mesuré un ensemble d’indicateurs de performance tels que les cinétiques de réaction et les fréquences de « turn-over » (les résultats sont présentés dans le chapitre IV). / The main objective of this research work was to put into evidence the co-catalytic effect of organo-metallic molecular complexes containing transition metals as reactive centers, adsorbed at the surface of doped semiconductors with photo-activity with regard to water photo-dissociation and carbon dioxide photo-reduction, in view of practical applications in photochemistry and photo-electrochemistry. First, appropriate materials (two photoactive semiconductors and two molecular co-catalysts) have been identified and selected (results are presented in chapter I). Then, we have designed, constructed and optimized a specific test bench that can be used for the continuous detection and titration of reaction products (results are presented in chapter II). Product analysis was achieved by coupling a gas-phase chromatograph to the photo-electrochemical reactor. Then, photoactive semiconductors and molecular co-catalysts have been elaborated/synthesized and their intrinsic properties have been measured (results are presented in chapter III). Finally, the co-catalytic activity of molecular complexes has been put into evidence and several performance indicators such as reaction kinetics and turn-over frequency have been measured (results are presented in chapter IV).

La présente thèse présente le développement d'un premier modèle d'électrode poreuse pour une cathode Hall-Héroult ainsi que le développement de nouvelles méthodes numériques. Les nouvelles méthodes numériques sont l'implantation du critère d'électroneutralité par contrainte de type multiplicateur de Lagrange ainsi que l'application d'un équilibre thermodynamique ionique par la méthode de pénalisation. Une revue des divers processus physico-chimiques associés à la cathode est présentée. Le modèle d'électrode poreuse est développé avec une formulation ionique pour le bain comportant cinq espèces. Le modèle est développé avec une méthode d'homogénéisation pour le volume poreux. Les lois de transport sont formulées en fonction des concentrations ioniques. Les concentrations ioniques d'équilibre ont été calculées par un modèle thermodynamique simple formulé selon des données thermodynamiques empiriques. Le modèle prend en compte la migration, la diffusion et la convection des espèces ioniques. Les divers paramètres de transport ont été calés avec des mesures empiriques de conductivité conjointement aux concentrations ioniques d'équilibre. Le modèle prend en compte la réaction électrochimique de production d'aluminium au niveau des pores du carbone. De plus, un équilibre ionique est imposé entre certaines espèces. La méthode par éléments finis a été utilisée pour effectuer les calculs numériques. De nouvelles méthodes numériques d'implantation du critère d'électroneutralité et d'un équilibre ionique sont présentées. Les méthodes ont été utilisées avec succès et permettent d'éviter d'éliminer une équation de conservation. La méthode de pénalisation s'est avérée comparable aux méthodes d'élimination par le biais d'un terme source mais les résultats sont partiellement différents du modèle principal procédant par élimination d'équations de conservation. Certaines méthodes par élimination négligent en partie la contribution au transport provenant des termes associés aux équations de conservation éliminées. Par la suite, des résultats de simulation du début de l'électrolyse sont montrés. Le modèle donne des résultats conformes aux ordres de grandeur des mesures expérimentales.

No description available.

Cette étude est une contribution à l'étude de la dépollution des sols à l'aide d'une modélisation expérimentale. L'objectif du travail est d'étudier les processus physico-chimiques intervenant au cours du transport de polluants métalliques toxiques dans les sols soumis à un champ électrique. Les essais sont réalisés en laboratoire avec des sols obtenus à partir d'un mélange d'un sable de Fontainebleau avec une solution cationique de polluant. Les polluants étudiés sont des métaux amphotères dont le plomb(II), le chrome(III) et le zinc(II), avec des concentrations initiales variant de 0,1 à 10 g/l. Une tension électrique constante est appliquée au dispositif pendant un temps déterminé. L'analyse des teneurs de polluant sur différents endroits de la cuve à l'arrêt du traitement dans le sol montre que la répartition du polluant varie en fonction de la nature et de la concentration initiale du polluant utilisé. Ainsi, dans le cas du plomb, nous avons observé trois cas de figure : - une distribution plutôt homogène du plomb dans la cuve pour une concentration initiale de 0,1 g de Pb2+/1, consécutive à un faible déplacement du polluant, - un appauvrissement des zones anodique et cathodique, par rapport à la teneur initiale, avec accumulation du polluant au centre de la cuve pour 1 g de Pb2+/1, - un appauvrissement important des zones anodiques avec accumulation du polluant à la cathode pour 10 g de Pb2+/1. Les mesures de pH réalisées sur le sol et sur l'eau interstitielle à différents intervalles de temps ont mis en évidence deux mécanismes à l'origine du transport du plomb : un transport cationique à l'anode en présence de pH acides, suivi d'un transport anionique à la cathode pour des pH basiques. En effet, certains hydroxydes métalliques peuvent, sous des conditions de pH basiques, former des anions par réactions de dissolution. Cette propriété permet alors de « remobiliser » le plomb précipité à la cathode sous forme d'anions plombates et de concentrer le polluant dans les zones centrales du dispositif. L'action combinée de ces deux mécanismes de transport concentre la pollution, soit au centre de la cuve, soit à la cathode suivant la concentration initiale. Selon les cas, l'action d'un champ électrique permettrait de restreindre le volume de sol pollué à traiter ultérieurement ou à excaver. La mesure de la conductivité électrique de l'eau interstitielle met en évidence des variations de la concentration ionique dans le milieu liées au déplacement du polluant ou à sa précipitation. Les concentrations utilisées dans le cas du chrome et du zinc ont mis en évidence un transport sous une forme cationique. Aucun phénomène de « remobilisation » n'a pu être observé car les pH mesurés à la cathode ne favorisaient pas un transport important du polluant sous forme d'anions.